一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法与流程

本发明涉及一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，属于水力机械技术领域。

背景技术：

混流式水轮机是各种类型水轮机中应用最广泛、效率最高、发电功率最大的型式。放眼全世界，轴流式、贯流式、冲击式等水轮机单机出力均未达到30万千瓦，而混流式水轮机单机出力已达到80万千瓦，百万千瓦机组也即将投入使用。

但是，混流式水轮机也不是十全十美，其由于转轮叶片不可调节，不能像轴流转桨式水轮机或贯流转桨式水轮机那样调节(转动)叶片安放角，其进入转轮的水流角许多工况下和叶片安放角不一致，会造成转轮进口脱流，形成脱流漩涡。如果涡心压力低于汽化压力，还会在涡心产生空化，形成带状空化空腔(如图1所示)。其产生于转轮叶片进水边，但可向出水边发展，形成如图2所示的带状空化空腔，即所谓的“叶道涡”。在水轮机模型试验中，可通过尾水管直锥段的有机玻璃看得非常清楚，拍出像图2和图3一样清晰的叶道涡照片。

混流式水轮机转轮进水边围绕着zg个活动导叶，受导叶翼型影响，在导叶出水边会形成一围绕转轮的压力交替变化的压力场(如图4所示)。随着水轮机转轮以转速n旋转，每个叶道都会顺序和周围的导叶接近再离开，势必给每个叶道带来一频率f＝zg·n/60压力脉动。尽管该压力脉动幅值不一定很大，但如果转轮进口有叶道涡存在，该压力脉动会在压力高时导致叶道涡空腔收缩甚至溃灭，而当压力低时会使空腔再生或膨胀，从而可数倍放大导叶带来的压力脉动，沿叶道向上、下游传递。由于叶道涡发生在叶道内，离叶片非常近，极易引起叶片振动。图5是在某混流式水轮机转轮叶片上测量分析的叶片表面应力的频谱分析瀑布曲线，显然在各个功率下均存在非常明显的导叶频率(即图中gpf，导叶通过频率，是导叶数zg和转频fn的乘积)应力。如该频率接近转轮叶片固有频率，则很容易导致叶片裂纹。在水头变化幅度大的电站，在模型试验时多见叶道涡发生，真机运行时又在叶道涡发生工况遇到了运行不稳定问题，有许多电站还发生了转轮叶片裂纹、断裂现象，初步证明叶道涡是部分混流式水轮机转轮叶片裂纹问题的主要原因之一。

此外，发生在叶片进水边的叶道涡还可以压力波的方式向上游传递，并和导叶产生动静干涉后传递给导水机构、顶盖及其它流道，引起机组振动。

但是，由于对叶道涡的研究起步较晚，转轮内部压力脉动及应力的测量非常困难，使我们对叶道涡的频率特性了解不深入，因此很难提出行之有效的减轻叶道涡危害的设计方法及措施。

因此，有必要研究混流式水轮机叶道涡的产生机理及危害方式，并在此基础上提出减小叶道涡危害的设计方法及措施，以减轻其对水电站安全稳定运行的危害。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，该方法是在弄清叶道涡产生机理的基础上提出的，能够有效减轻其对水电站运行稳定性的危害，减小机组振动，减轻甚至消除由叶道涡引起的转轮叶片裂纹。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，其包括对混流式水轮机所做的以下几个方面的优化：1)将混流式水轮机转轮叶片的进水边相对于轴线倾斜布置，使叶片的进水边与轴线的夹角θ不小于10°；2)在电站设计中选用更大空化安全系数k，将空化安全系数k从常用1.5左右增加到1.8以上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明是在弄清混流式水轮机叶道涡产生机理、传播方式及对转轮叶片危害方式的基础上提出的，所提设计方法有深厚理论基础，有很强的针对性。2、本发明提出的通过将转轮叶片进水边倾斜布置来减轻叶道涡危害的设计方法不用额外增加电站投资和水轮机制造费用。3、所提设计方法及步骤简单明了，可操作性强。

附图说明

图1是某混流式水轮机转轮叶片进水边发生叶道涡时模型观测照片；

图2是某混流式水轮机转轮叶片出水边发生叶道涡时模型观测照片；

图3是某混流式水轮机转轮叶片出水边发生叶道涡在同一工况两个不同空化系数时模型观测照片；其中，图a和图b均在单位转速n11＝69.29r/min、单位流量q11＝0.3864m³/s；但图a对应的空化系数σ＝0.141，图b对应的空化系数σ＝0.104；

图4是混流式水轮机导叶后围绕转轮进口的压力分布示意图；

图5是在某混流式水轮机转轮叶片上测量的动应力频谱图；

图6是混流式水轮机转轮叶片进水边叶片倾斜布置示意图；图中：1表示叶片；2表示进水边；3表示上冠；4表示下环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种减轻混流式水轮机叶道涡危害的方法，其包括对混流式水轮机所做的以下几个方面的优化：

1)如图6所示，将混流式水轮机转轮叶片1的进水边2相对于轴线(对于立式机组轴线即“垂直线”，对于卧式机组轴线即“水平线”)倾斜布置，使叶片1的进水边2与轴线的夹角θ不小于10°，其技术效果是使脱流形成的叶道涡也相对于轴线呈倾斜状态，把不同高度的叶道涡分散在不同的径向角度，以分散叶道涡对顶盖的动态作用力，使各高度层因叶道涡激起的压力脉动不同步，并降低该压力脉动幅值。导叶相对高度b0/d1(其中：d1为转轮进水边直径，b0为导叶高度)越低，夹角θ应越大；转轮叶片数越少，夹角θ应越大。

2)在电站设计中选用更大空化安全系数k，如从常用的k＝σp/σ1(式中：σp为电站空化系数，又称电站装置空化系数；σ1为临界空化系数)1.5左右增加到1.8以上，水头变幅大电站取更大值，模型试验时观测到电站运行范围内叶道涡严重的取更大值。增大电站空化系数，可消除可见叶道涡或减小可见叶道涡尺寸，从而可减小叶道涡空腔膨胀-收缩的幅度，减小其引起的压力脉动，减轻叶道涡危害。

本发明所提出的减轻混流式水轮机叶道涡危害的设计方法，是基于“空腔危害水力机械稳定性理论”和我们对叶道涡的危害规律提出的。我们发现，“混流式水轮机叶道涡主要是由水轮机转轮进水边脱流漩涡空化空腔构成的，空腔被导叶出口不均匀流场激励后会在导叶频率下膨胀-收缩，放大了导叶后幅值很小的压力脉动”。正是基于这一创新理念，我们提出了该设计方法，其主要措施是让叶道涡“站不直”，或使其“消于无形”。

(1)如果混流式水轮机转轮内的叶道涡仅只停留在叶道内，没有受到导叶后压力分布不均匀等类似扰动源激励，其脱流涡只可能引起空蚀类破坏，不可能带来压力脉动；但是在混流式水轮机的引水流道中，给转轮进口带来的流速及压力的不均匀是必然的，不可避免的，设计再好的导水机构其尾流都会有不均匀，只不过有不均匀程度的差异；尤其是离转轮近的活动导叶，无论你设计得如何精细，导叶厚度总会给水流带来扰动，影响其出水边水流均匀性，该流速和压力的不均匀会传导给叶道涡，使叶道涡遇高压时膨胀，遇低压时收缩(甚至溃灭)，并因此会带来叶道涡空腔周围水体的附加流动，当空腔溃灭时可能会给叶道涡附近叶片带来非常巨大的冲击力，使叶片产生裂纹甚至断裂。

(2)如图5所示，在混流式水轮机转轮叶道内，确实存在较强导叶通过频率(f＝zg·n/60)压力脉动，是该频率压力脉动导致了该频率较强动应力，其它混流式水轮机原模型转轮的叶道压力脉动或应力测量也都证实了该频率扰动的大量存在。

(3)如转轮叶片进水边如图6所示相对于轴线(图6属立式机组，叶片进水边相对于垂直线)倾斜布置(倾斜角度为θ)，水流绕叶片进口产生的脱流漩涡及叶道涡也将相对于轴线倾斜。众所周知，混流式水轮机的导叶和轴线平行，如果在某一高度层导叶后水流绕转轮叶片进水边形成如图4所示的压力分布，则在其它高度层理论上也应相同。如此则势必造成如下结果：同一叶道内同一叶道涡不同高度层(如高度相差δh)随转轮以转速n旋转时，“站不直”的叶道涡遇到图4所示同一压力点的时间会相差一段时间δt＝δh·tan(θ)/(d1·π·n/60)，给叶道涡带来的膨胀-收缩也相差δt，各高度层不同步，还互相影响和干涉，膨胀-收缩的作用力也大幅度减小，破坏力大幅度下降。

(4)降低水轮机安装高程，可增大电站空化系数σp，也就是增大了空化安全系数k(k＝σp/σ1)，其最佳状况是无可见叶道涡发生，叶道涡“消于无形”，无膨胀-收缩发生，危害消除；即使水轮机转轮内仍有叶道涡产生，但由于电站空化系数加大，叶道涡尺寸明显减小，其破坏力大大减轻；因此，无论哪种情况发生，选用更大、更安全的电站空化系数对于电站水头变幅大的电站都是非常好的设计选择。

此外，本发明专利设计的转轮叶片在进水边相对于轴线倾斜布置，还可以造成各高度层脱流形成叶道涡“站不直”，和“直立”的导叶之间的干涉波不同步，从而降低转轮叶片和导叶之间动静干涉的能力及程度，并大幅度降低固定导叶区压力脉动及其引起的顶盖和厂房振动。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。